ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АТМОСФЕРНОГО АЭРОЗОЛЯ Природа и трансформация атмосферного аэрозоля из "Атмосферная оптика Т.4 " В общем случае под атмосферным аэрозолем понимают такие дисперсные системы, которые состоят из частиц твердого или жидкого вещества, находящихся во взвешенном состоянии в атмосферном воздухе. Под аэрозолем в узком смысле слова понимают только частицы, обладающие малой скоростью оседания. Ясно, что в этом случае из рассмотрения выпадает широкий класс частиц осадков, которые принято называть гидрометеорами. [c.87] Разнообразие частиц, присутствующих в земной атмосфере, их чрезвычайная изменчивость, обусловленная сложным комплексом метеорологических, синоптических и географических факторов, огромное число физико-химических процессов образования частиц и их трансформации определяют сложность задачи всестороннего описания свойств атмосферного аэрозоля. Нас далее будет интересовать лишь описание основных свойств атмосферных частиц, представляющих интерес с точки зрения их рассеивающих способностей в оптическом диапазоне длин волн. С учетом такой задачи в предлагаемой главе изложены основные механизмы образования и трансформации, источники и стоки частиц, основные типы и состав атмосферного аэрозоля. [c.87] Из теории рассеяния электромагнитных волн следует, что определяющими характеристиками оптической активности аэрозольных частиц являются комплексный показатель преломления и размер или распределение частиц по размерам. В ряде случаев могут оказаться существенными также такие характеристики частиц, как форма и внутренняя структура неоднородных частиц. При распространении оптического излучения не меньшее значение имеет пространственно-временная изменчивость аэрозоля. Для вертикальных трасс определяющей характеристикой становится распределение аэрозоля по высоте, а для горизонтальных трасс — локальные неоднородности и временная изменчивость. [c.87] Разнообразие химического состава вещества аэрозольных частиц различной природы определяют широкий диапазон значений комплексного показателя преломления. Обсуждение этого диапазона и более подробные данные приведены при описании различного типа аэрозольных образований в [5]. Здесь только отметим, что ошибки в определении коэффициентов рассеяния и поглощения, а также угловых и поляризационных свойств рассеянного излучения могут достигать сотен процентов из-за неправильного задания химического состава и соответственно оптических постоянных аэрозоля. Поэтому классификация атмосферного аэрозоля по химическому составу часто используется и при оптических исследованиях. По признаку именно химического состава нринято выделять водный и морской аэрозоль (частицы — водные растворы), дымовой аэрозоль (частицы — продукты сгорания), пылевой аэрозоль, органический аэрозоль, вулканический аэрозоль, фотохимический аэрозоль и многие другие. Однако следует учитывать, что в реальной атмосфере присутствуют одновременно аэрозольные частицы различного химического состава и с различным вкладом в оптические свойства. [c.88] Наконец, при анализе рассеивающих свойств атмосферного аэрозоля необходимо также учитывать, что комплексный показатель преломления вещества частиц зависит от температуры. Результаты исследований этой зависимости для воды и водных растворов в спектральной области 2—20 мкм показали [9], например, что величина показателя поглощения с ростом температуры от 24 до 80 °С понижается, а полосы поглощения становятся более узкими и смещаются. [c.88] При описании функции распределения частиц используются различные приемы масштабирования по оси ординат и оси абсцисс (чаще логарифмический масштаб), а в зависимости от решаемых задач используются функции распределения по размерам,, сечению или объему. На рис. 3.1 показано распределение частиц, по размерам йК й о а, по сечению dS й oga и по объему йV й oga для одной из реализаций смогового аэрозоля [26]. Как видно из рисунка, при одномодовом распределении частиц по размерам и сечению отчетливо выделяется двухмодовый характер распределения частиц по объему в одной и той же атмосферной ситуации. [c.89] Пространственно-временная изменчивость. Для пространственной изменчивости характеристик атмосферного аэрозоля принято выделять вертикальную структуру и широтный ход. На фоне огромного разнообразия вертикальных профилей концентрации и функций распределения частиц по размерам наблюдаются достаточно устойчивые тенденции, которые позволяют рассматривать отдельно тропосферный аэрозоль, стратосферный аэрозоль, аэрозоль верхней атмосферы. Содержание аэрозоля в тропосфере в среднем убывает с высотой, сосредоточиваясь преимущественно в нижнем 2—3-километровом слое. Именно в этом слое атмосферы сосредоточена основная часть грубодисперсного аэрозоля и суб-микронная фракция. Далее выделяется повышенной концентрацией субмикронной фракции частиц стратосферный слой, обнаруженный Юнге [22] и часто называемый его именем. Оптические наблюдения с космических кораблей позволили обнаружить также аэрозольный слой на высотах 40—50 км, возможно, возникающий в результате попадания сюда вулканических газов и водяного пара. Содержание аэрозоля в верхней атмосфере связано с захватом земной атмосферой космических частиц различного размера (от 10 г до нескольких тонн) и слабо изучено. Такова грубая картина вертикального распределения аэрозоля по высоте. [c.91] Более подробные микрофизические и оптические исследования показывают, что в общем атмосфера стратифицирована достаточно сложным образом [5]. В приземном слое и верхней тропосфере на фоне убывающего (в среднем) содержания частиц часто наблюдаются слои (так называемые слои перемешивания, характеризуемые постоянством концентрации частиц, и слои с повышенным содержанием аэрозоля. В частности, в приземном слое атмосферы возникновение подобных слоев, как правило, бывает обусловлено инверсиями температуры, связанными с радиационным выхолаживанием поверхности. В верхней тропосфере накопление аэрозоля определяется запирающим действием тропопаузы, в которой происходит изменение знака градиента температуры. [c.91] Для временной изменчивости глобального распределения атмосферного аэрозоля принято выделять вековой и годовой ход общего содержания аэрозоля, а также сезонную и суточную изменчивость. Важной характеристикой при этом является и время жизни аэрозолей. [c.93] Основными источниками аэрозолей являются поверхности морей, океанов и суши, извержения вулканов, жизнедеятельность растений, лесные и степные пожары, метеоритные потоки, химические и фотохимические реакции в атмосфере и в растительном покрове, а также источники, связанные с хозяйственной деятельностью человека. При этом появление атмосферных частиц происходит либо в результате поступления в атмосферу готовых частиц из так называемых первичных источников, либо частицы образуются непосредственно (in situ) в атмосфере в результате сложных физико-химических превращений типа газ—частица, т. е. из вторичных источников. [c.95] В табл. 3.1 приведено среднее годовое количество аэрозолей, поступающее в атмосферу от различных источников, по данным Робинсона и Роббинса [1]. Приведенные в таблице глобальные оценки имеют приближенный характер, что подтверждается оценками других авторов (данные в круглых скобках). [c.95] Первичные источники. Морская и океаническая поверхность Земли является самым мощным первичным источником аэрозольных частиц. Эти частицы начинают свое существование в виде капель морской воды и появляются в результате нескольких механизмов образования. Один из таких очевидных механизмов состоит в сдувании брызг с гребней разбивающихся волн. Образующиеся при этом большие капли морской воды испаряются и приводят к появлению частиц по размерам, соответствующих грубодисперсной фракции. Роль этого механизма в образовании частиц нельзя считать однозначно установленной, хотя наблюдающиеся густые прибрежные туманы при сильном ветре и более высокие массовые концентрации морской соли вблизи побережья можно объяснить его влиянием. [c.95] Имеются экспериментальные данные, показывающие, что именно пузырьковый механизм вносит основной вклад в количество солевых частиц в атмосфере. В частности, измерения Рэндалла [27] указывают на главную роль пассатов, а не волн близлежащего района в образовании солевых частиц. Принимая пузырьковый механизм за основной, Юнге вычислил, что с 1 см образуется 1 частица, а время жизни частиц над океаном составляет около 1—3 сут (по оценкам других авторов 6—12 ч). [c.96] Оторванная от почвы частица, поднявшись на некоторую высоту, падает под действием силы тяжести и после квазиупругого столкновения вновь поднимается вверх, увеличивая свою кинетическую энергию за счет движения в ветровом потоке и соответственно увеличивая силу последуюш,их соударений. Удары этой сальтируюн ей частицы вызывают движение других более крупных и мелких. Движение самых крупных ограничивается скольжением и перекатыванием, а мелкие отрываются и турбулентными потоками уносятся в атмосферу. За счет конечной вязкости воздуха в зону турбулентного потока попадают только частицы диаметром более 0,5—1 мкм. Учитывая, что процесс дробления твердых тел до частиц меньшего диаметра практически невозможен из-за возрастающих энергетических затрат (хорошо известный факт из опыта дробления в промышленных условиях), следует считать диаметр частиц 0,5 мкм естественным нижним пределом для пылевого аэрозоля в атмосфере. [c.98] Важным первичным источником аэрозоля в атмосфере является вулканическая деятельность. Вулканический аэрозоль, проникающий в высокие слои атмосферы, играет особую роль в формировании климата больших географических районов. Несмотря на эпизодическое поступление вулканического аэрозоля, этот фактор в формировании климата присутствует практически постоянно, что определяет необходимость его учета при разработке аэрозольных моделей. [c.98] Мало изученным, но существенным по долевому составу является органический аэрозоль. Имеющиеся результаты исследований этого аэрозоля указывают [12] на широкий диапазон частиц органического происхождения (от 10 до 10 мкм). Вирусы и споры растений и ряд других микроорганизмов выделяются в атмосферу непосредственно растительным покровом, играющим роль первичного источника аэрозоля, и составляют часть грубодисперсного аэрозоля с размером более 0,5 мкм. Другая более значительная часть органического аэрозоля составляет субмикронную фракцию и образуется в результате превращения паров органики в частицы непосредственно или в процессе таких превращений паров неорганических веществ. Согласно имеющимся оценкам содержание органического аэрозоля может составлять до 20 % общего содержания частиц из вторичных источников. [c.98] Вторичные источники. Субмикронная фракция аэрозоля, имеющая происхождение в основном от вторичных источников за счет превращений газ—частица, составляет по массе половину аэрозольного вещества в атмосфере и во многих случаях играет определяющую роль в оптических явлениях. Поэтому рассмотрим подробнее физические аспекты механизма фазовых превращений газ—частица (in situ). [c.98] В процессах образования из паров веществ различают моно-молекулярное образование частиц, когда в образовании ядер участвуют молекулы только одного вещества, и гетеромолекулярное образование, когда в процессе участвуют молекулы разных веществ. Основные физические аспекты образования зародышей аэрозольных частиц наглядно следуют из рассмотрения мономо-лекулярного процесса. [c.99] Здесь [1с — химический потенциал (в расчете на одну молекулу) паров, когда рассматриваемый газ взаимодействует и находится в равновесии с поверхностью жидкой фазы .i — химический потенциал реального состояния паров а—поверхностное натяжение зародыша ( .i — joi)—разность свободных энергий в расчете на одну молекулу. При отсутствии насыщения разность положительна ( Ыс [х), а в условиях пересыщения — отрицательная (ili ioi). В состоянии насыщения газовая и жидкая фазы находятся в равновесии ( i = ioi) и свободная энергия молекулы газа равна свободной энергии молекулы жидкости. [c.99] Вернуться к основной статье